ISSN 1226-3133 (Print)․ISSN 2288-226X (Online)
유전체 장벽 방전 플라즈마의 Monostatic 레이다 단면적 측정
Monostatic RCS Measurement for Dielectric Barrier Discharge Plasma
이현재․정인균․하정제․신웅재․양진모*․이용식․육종관
Hyunjae Lee․Inkyun Jung․Jungje Ha․Woongjae Shin․Jin Mo Yang*․Yongshik Lee․Jong-Gwan Yook 요 약
본 논문에서는 유전체 장벽 방전(dielectric barrier discharge: DBD) 플라즈마에 의한 monostatic RCS 감소 특성을 측정하 였다. Monostatic 레이다 단면적(radar cross section: RCS) 교정을 위하여 서로 다른 크기의 금속 평판을 사용하여 산란 계수(scattering parameter)를 측정하였고, 그 결과 0.4 dB 이내의 오차를 보였다. DBD 플라즈마에 의한 monostatic RCS 감소 특성을 측정하기 위해 DBD 플라즈마 발생기 뒤에 금속 평판을 배치하였다. 금속 평판과 플라즈마 발생기 사이에 아크 방전(arc dischrage)이 일어나는 것을 방지하기 위해 금속 평판과 DBD 플라즈마 사이의 간격을 띄워 측정을 진행하 였다. 그 결과 7.4 GHz에서 monostatic RCS가 최대 약 3 dB 감소하였다.
Abstract
In this paper, reduction of monostatic RCS by DBD plasma is measured. For the calibration of monostatic RCS, S-parameters of two metallic plate in different sizes are used and the result is within 0.4 dB error. Metallic plate is put behind DBD plasma generator for measuring reduction of monostatic RCS by DBD plasma. To prevent arc discharge between metallic plate and DBD plasma generator, measurement is progressed spacing the interval between metallic plate and DBD plasma generator. As a result, maximum reduction of monostatic RCS is about 3 dB at 7.4 GHz.
Key words: Monostatic RCS, Metallic Plate, DBD Plasma
「본 연구는 방위사업청과 국방과학연구소가 지원하는 국방 피탐지 감소기술 특화연구센터 사업의 일환으로 수행되었습니다.」
연세대학교 전기전자공학과(Department of Electrical and Electronic Engineering, Yonsei University) *국방과학연구소(Agency for Defence Development)
․Manuscript received October 12, 2015 ; Revised February 2, 2016 ; Accepted March 4, 2016. (ID No. 20151012-27S)
․Corresponding Author: Jong-Gwan Yook (e-mail: [email protected])
Ⅰ. 서 론
최근 무기 기술 체계가 발달하면서 비행체의 생존성을 높이기 위해 스텔스 기술의 중요성이 확대되고 있다[1]. 기존의 연구는 레이다 단면적(radar cross section: RCS)을 감소시키는 방법에 대해 비행체의 형태를 바꾸는 방법이 나 레이다 흡수 물질(radar absorbing material: RAM)을 이 용하는 방법으로 진행되었다[2],[3]. 이 중 비행체의 형태를 바꾸는 방법은 비행체 표면을 평평하게 또는 울퉁불퉁하
게 만들어 반사파가 한 방향으로 집중하지 않도록 하는 방식이며, RAM을 이용하는 방법은 비행체 위에 손실 특 성이 큰 유전체 또는 자성체를 뒤덮어 반사파를 줄이는 방식이다. 하지만 비행체의 형태를 바꾸는 방법은 비행 동역학적 디자인과 맞물려 한계가 존재한다. 또한, RAM 을 이용하는 방법은 비행체의 크기, 무게에 대한 제약과 비용적인 측면에서 문제가 있다. 이에 대한 대안으로 플 라즈마를 이용한 RCS 감소 기법에 대한 연구가 이루어졌 다. 플라즈마의 경우, 크기나 무게에 대한 제약이 적으며,
비행체 디자인에 상관없이 플라즈마 발생기를 탈․부착 가능하여 사용에 있어서 유연한 장점을 가지고 있다.
기존의 많은 연구들에서 수치해석적인 방법으로 플라 즈마를 통하여 RCS 감소가 가능함을 확인하였다[4],[5]. 수 치해석적인 방법을 통해 플라즈마의 RCS 감소 특성을 해 석하는 경우, 주변 환경에 대한 변수를 단순화시키거나 플라즈마의 전자기적 특성에 관여하는 플라즈마 변수들 에 대해 이론적인 값들을 사용하여 해석하게 된다. 하지 만 실제 플라즈마 변수들은 시간에 따른 변화량이 크고[6]
환경적인 변수들 역시 영향이 크기 때문에 수치해석적인 방법으로만 플라즈마의 RCS 감소 특성을 해석하기엔 한 계가 존재한다. 따라서 실험적인 방법을 통하여 RCS 감 소에 대한 검증이 필요하다.
플라즈마는 발생기의 구조에 따라 특성이 다르게 나타 나게 된다. 발생기의 종류로는 대표적으로 유전체 장벽 방전(dielectric barrier discharge: DBD) 플라즈마 발생기, 플라즈마 젯(plasma jet), 플라즈마 토치가 있다[7]. 그 중 DBD 플라즈마 발생기는 유전체 양단에 전극을 배치한 구조로 양단의 전극에 공기의 방전 전압 이상의 전압을 공급하여 주변의 공기를 방전시켜 플라즈마를 발생시키 는 방식으로 구조가 간단하고, 넓은 면적의 플라즈마 형 성에 용이하다. 따라서 본 논문에서는 DBD 플라즈마를 이용하여 플라즈마에 의한 monostatic RCS 감소 특성을 실험적으로 확인해 보았다.
Ⅱ. RCS 교정
RCS는 표적(target)에 의해 산란되는 전자기파가 등방 산란되는 영역에서의 표적에 대한 유효 단면적을 나타낸 다. 하지만 실제 측정하는 값은 산란 계수(scattering pa- rameter)이기 때문에, 값에 대한 교정(calibration)이 필요하 다. 일반적으로 레이다에 수신되는 전력은 다음의 수식으 로 정리된다.
(1)
Pr, Pt는 각각 수신 전력, 송신 전력을 나타내고, Gr, Gt
는 각각 수신 안테나의 이득, 송신 안테나의 이득을 나타
낸다. rr, rt는 각각 표적과 수신 안테나 간의 거리, 표적과 송신 안테나 간의 거리를 나타내고, L은 시스템 손실을 나타내며, 는 표적의 RCS를 나타낸다. RCS 값을 제외 한 값들은 환경적인 요소로 실험 환경이 변하지 않을 경 우, 거의 일정한 값을 나타낸다. 따라서 이론적인 RCS 값 을 알고 있는 물체를 측정하게 되면 K를계산할 수 있기 때문에 원하는 표적의 RCS 계산이 가능하다[8]. 이론적인 RCS 값이 알려진 구조는 구체, 평판, 원기둥, 코너 리플 렉터 등이 있다[9]. 금속 구체의 경우, 측정값이 낮기 때문 에 챔버와 같이 흡수체가 충분히 확보된 환경에서 진행 되어야 한다. 본 논문에서는 플라즈마를 발생시킬 때 발 생되는 오존으로 인하여[10] 챔버 환경에 영향을 미칠 수 있기 때문에, 챔버에서 측정이 불가하여 실내에서 실험을 진행하였다. 이로 인해 충분한 측정값이 확보되면서 제작 이 용이한 금속 평판을 통하여 교정을 진행하였다. 금속 평판에 대한 RCS는 다음의 수식으로 정리된다[11].
(2)
이때, a, b는 각각 금속 평판의 변의 길이를 나타낸다.
RCS 교정의 검증을 위하여 × cm2, × cm2 의 서로 다른 크기인 금속 평판 2개를 측정하고, 하나를 통해 구해진 교정 값을 다른 측정치에 곱하여 이론값과 비교를 하였다.
측정은 그림 1과 같이 4～8 GHz에서 원거리장(far-field) 조건을 만족시키는 상태에서 두 개의 안테나 간 간격을
Double ridged horn antenna Target
VNA
그림 1. 측정 시스템 Fig. 1. Measurement system.
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 -100
-90 -80 -70 -60 -50
Time [ms]
S 21 [dB]
w/o target w/ target
Target Direct
transmitted signal
Gating window
그림 2. 시간에 따른 S21 측정 결과
Fig. 2. Measurement result of S21 in time domain.
4 6 8 10 12 14 16 18
5 10 15 20
Frequency [GHz]
RCS [dBsm]
Analytic Measured
그림 3. RCS 이론값과 교정값 비교
Fig. 3. Comparison of analytic RCS and calibrated data.
최대한 줄여 S21을 측정하여 quasi-monostatic RCS 측정 방 식으로 진행되었다[12]. 측정 결과를 보면 그림 2에서와 같 이 표적의 영향 없이 직접적으로 송신되는 전자기파와 주변 환경으로부터 나오는 반사파들이 존재한다. 따라서 타임 게이팅(time gating)을 통하여 불필요한 신호들을 제 거하였다. 그림 3은 타임 게이팅된 신호를 통해 ×
cm2크기의 금속 평판 RCS를 교정을 통해 얻은 값과 이 론값을 비교한 결과이다. 4～18 GHz에서 전체적으로 0.4 dB 이하의 오차를 나타냈고, 이 교정 값을 바탕으로 DBD 플라즈마의 monostatic RCS 감소 특성을 측정하였다.
200 mm
200 mm
그림 4. 제작된 DBD 플라즈마 발생기 Fig. 4. Fabricated DBD plasma generator.
그림 5. Paschen의 곡선 Fig. 5. Paschen's curve.
Ⅲ. 측정 및 결과 3-1 플라즈마 발생
본 논문에서는 DBD 플라즈마 발생기를 그림 4와 같이 원형 전극을 병렬 연결하여 편극 효과를 최소화하도록 제작하였다. 유전체는 0.8 mm 두께의 FR-4 기판을 사용 하였고, 전극 간의 간격은 2 mm로 일정하게 배치하였다.
실험에 앞서 위의 구조에서 플라즈마가 안정적으로 발 생하는지에 대해 알아보았다. 플라즈마를 발생시키기 위 해서는 기체의 방전 전압 이상의 전압을 인가시켜야 한 다. 방전 전압은 Paschen의 법칙에 의해 결정되며, 식 (3)
과 같다[13],[14].
ln
･
(3)
B와 C는 기체의 종류에 따라 결정되는 상수이고, p와 d는 각각 기압과 전극 간의 간격을 나타낸다. 공기의 경 우, B = 365 V․cm—1․Torr—1, C = 1.18이다. 그림 5는 식 (3)에 따른 방전 전압을 나타낸 그림이다. 전극 간의 간격 을 고려할 때 8.9 kV 이상의 전압이면 충분한 방전 전압 을 가지는 것을 확인할 수 있다. 이 결과를 바탕으로 고전 압 발생장치를 이용하여 14 kV, 1 kHz의 전압을 준 결과 는 그림 6과 같이 플라즈마가 발생하였다.
3-2 측정 결과
측정은 플라즈마의 monostatic RCS 감소 특성을 확인 하기 위해 그림 7과 같이 DBD 플라즈마 발생기 뒤에 금
그림 6. 플라즈마 발생 Fig. 6. Generation of plasma.
VNA
Double ridged horn antenna
DBD plasma
generator Copper plate
Far-field condition
Gap (g): 4.6 mm 2 2
( D )
r≥ λ
그림 7. 제안된 플라즈마 측정 구조
Fig. 7. Configuration of proposed measurement system.
그림 8. 플라즈마를 발생시키지 않았을 때 측정된 결과 와 모의 실험 결과 비교
Fig. 8. Comparison of measurement result and simulation result without plasma.
속 평판을 둔 상태로 진행하였고, 이때 금속 평판과 DBD 플라즈마 발생기 사이에 아크 방전(arc discharge)이 일어 나는 것을 방지하기 위해 간격을 4.6 mm로 띄운 상태로 측정하였다.
그림 8은 금속 평판의 이론적인 monostatic RCS와 그림 7의 제안한 구조에서 플라즈마를 발생시키지 않았을 때 의 monostatic RCS에 대한 측정값과 모의실험 결과 값을 비교한 결과이다. 측정값과 모의실험 결과 값의 오차는 최대 1.3 dB 이내로 발생하였다. 금속 평판의 monostatic RCS와 비교하였을 때 10 GHz에서 monostatic RCS가 감 소한다. 이는 DBD 플라즈마 발생기와 금속 평판 사이의 간격을 띄운 구조적 영향으로 해석된다. 그림 9에서와 같 이 DBD 플라즈마 발생기와 금속 평판 사이의 간격을 변 화시키면 monostatic RCS가 감소하는 주파수 영역을 바꿀 수 있다.
그림 10은 플라즈마를 발생시켰을 때와 발생시키지 않 았을 때의 monostatic RCS 측정 결과이다. 플라즈마 발생 시 4～8.9 GHz와 16.9～18 GHz에서 monostatic RCS가 감 소하며, 7.4 GHz에서 최대 약 3 dB 감소하는 것을 확인할 수 있다. 하지만 8.9～16.9 GHz에서는 오히려 monostatic RCS가 증가하게 된다. 주파수에 따라 monostatic RCS가 감소했다가 증가하는 현상은 금속 평판과 DBD 플라즈마
그림 9. DBD 플라즈마 발생기와 금속 평판 사이 거리 에 따른 모의 실험 결과
Fig. 9. Simulation result with varying gap between DBD plasma generator and copper plate.
그림 10. 플라즈마를 발생시켰을 때 측정된 결과 Fig. 10. Measurement result with plasma.
발생기 사이에 간격을 둔 구조적 영향이 작용한 것으로 해석되며, 향후 이에 대한 연구가 추가적으로 필요할 것 이다.
Ⅳ. 결 론
본 논문에서는 DBD 플라즈마를 이용하여 플라즈마의 monostatic RCS 감소 특성에 대해 확인해 보았다. 이를 위 해 DBD 플라즈마 발생기 뒤에 금속 평판을 위치시켰고,
DBD 플라즈마 발생기와 금속 평판 사이의 아크 방전을 막기 위해 DBD 플라즈마 발생기와 금속 평판의 간격을 4.6 mm 띄워 실험을 진행하였다. 측정은 금속 평판과 DBD 플라즈마 발생기가 있는 상황에서 플라즈마를 발생 시켰을 경우, 발생시키지 않았을 경우에 대해 진행하였 다. 그 결과, 플라즈마를 발생시킨 경우 monostatic RCS가 7.4 GHz에서 최대 약 3 dB 감소하였다. 하지만 8.9～16.9 GHz에서는 플라즈마를 발생시키지 않고, DBD 플라즈마 발생기만 있는 경우에 RCS가 더 많이 감소하는 것을 확 인할 수 있다. 이에 대해서는 제안된 플라즈마 측정 구조 에 대한 구조적 분석을 통하여 원인을 파악하는 추가적 인 연구가 필요하다고 판단된다.
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이 현 재
2013년 8월: 연세대학교 전기전자공학부 (공학사)
2013년 9월～현재: 연세대학교 전기전자 공학과 석박사통합과정
[주 관심분야] 플라즈마, FDTD
정 인 균
2011년 2월: 연세대학교 전기전자공학부 (공학사)
2011년 3월～현재: 연세대학교 전기전자 공학과 석박사통합과정
[주 관심분야] FDTD, 플라즈마 해석
하 정 제
2009년 2월: 연세대학교 전기전자공학부 (공학사)
2011년 2월: 연세대학교 전기전자공학과 (공학석사)
2011년 3월～현재: 연세대학교 전기전자 공학과 박사과정
[주 관심분야] 초고주파 회로, 안테나 등
신 웅 재
2015년 2월: 중앙대학교 전자전기공학부 (공학사)
2015년 3월～현재: 연세대학교 전기전자 공학과 석사과정
[주 관심분야] 플라즈마
양 진 모
1988년 2월: 아주대학교 전자공학과 (공학 사)
1991년 2월: 아주대학교 전자공학과 (공학 석사)
1991년 2월～현재: 국방과학연구소 책임 연구원
2011년 2월: 충남대학교 전자공학과 (공학 박사)
[주 관심분야] 레이더 시스템, 능동 위상 배열 시스템
이 용 식
1998년 2월: 연세대학교 전파공학과 (공학 사)
2004년 4월: 미국 University of Michigan (공학박사)
2004년 10월: Purdue University, Post-doc- torial Research Associate
2005년 7월: EMAG Technologies, Inc., Se- nior Research Engineering
2005년 9월～현재: 연세대학교 전기전자공학과 정교수 [주 관심분야] 초고주파 회로, 안테나, 메타물질 등
육 종 관
1987년 2월: 연세대학교 전자공학과 (공 학사)
1989년 2월: 연세대학교 전자공학과 (공 학석사)
1997년 1월～1998년 10월: University of Michigan Research Fellow
1998년 11월～1999년 2월: Qualcomm Inc.
Senior Engineer
1999년 3월～2000년 2월: 광주과학기술원 조교수 2000년 3월～현재: 연세대학교 전기전자공학과 교수
[주 관심분야] 수치해석, 바이오 센서, 마이크로파 구조 해석 및 설계, RF MEMs, 박막 공진 구조, EMI/EMC, HEMP 등
